analisa kecepatan gelombang geser kota … · vertikal) dan palu (4 kg) ... institut teknologi...
TRANSCRIPT
ANALISA KECEPATAN GELOMBANG GESER
KOTA SURAKARTA MENGGUNAKAN METODE
MULTICHANNEL ANALYSIS OF SURFACE WAVES
SEBAGAI KAJIAN GEOTEKNIK
Disusun oleh:
MUHAMMAD FACHRUL ROZI KURNIAWAN
M0213052
SKRIPSI
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
September, 2017
i
ANALISA KECEPATAN GELOMBANG GESER
KOTA SURAKARTA MENGGUNAKAN METODE
MULTICHANNEL ANALYSIS OF SURFACE WAVES
SEBAGAI KAJIAN GEOTEKNIK
Disusun oleh:
MUHAMMAD FACHRUL ROZI KURNIAWAN
M0213052
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapat gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
September, 2017
ii
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI
iii
HALAMAN PENGESAHAN
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi yang saya tulis dengan judul “Analisa
Kecepatan Gelombang Geser Kota Surakarta Menggunakan Metode
Multichannel Analysis of Surface Waves sebagai Kajian Geoteknik” merupakan
hasil penelitian saya berdasarkan arahan dari pembimbing. Hingga saat ini dengan
sepengetahuan saya isi skripsi ini tidak berisi materi yang telah dipublikasikan oleh
orang lain tanpa mencantumkan di daftar pustaka dan tidak pula berisi materi yang
diajukan untuk mendapatkan gelar sarjana di Universitas Sebelas Maret atau di
perguruan tinggi lainnya. Isi skripsi ini boleh dirujuk dan sangat disarankan jika
ditemui kesalahan dimohon menghubungi penulis sehingga tidak terjadi misconcept.
Dalam upaya peningkatan akademik tulisan ini diizinkan dicopy secara bebas.
Surakarta, September 2017
Muhammad Fachrul Rozi Kurniawan
v
HALAMAN MOTTO
“Perhatikanlah apa yang disampaikan bukan siapa yang menyampaikan”
(Anonim).
“Mancanegara selalu memberikan hasrat untuk dikunjungi, namun Indonesia adalah
tempat ternyaman untuk kembali dan mengabdi”
(Anonim).
“Berdoalah kepada Allah dalam keadaan yakin akan dikabulkan, dan ketahuilah
bahwa Allah tidak mengabulkan doa dari hati yang lalai”
(HR. Tirmidzi: 3401).
Barang siapa yang menolong kesusahan orang muslim, maka Allah Subhanahu wa
taala akan menolongnya dari kesusahan pada hari kiamat (HR. Bukhari)
“Memandang alam dengan pengertian jauh lebih berarti dan menyukakan hati
daripada hanya menyaksikan keelokannya saja”
(Albert Heim).
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan menyebut nama Allah Subhanahu wa taala dan dengan penuh rasa
syukur, karya ini saya persembahkan
kepada:
Ibu, bapak,
adik – adik,
seluruh keluarga besar,
teman – teman Fisika FMIPA UNS,
rekan – rekan Geofisika UNS,
dan yang selalu memberikan dukungan.
vii
Analisa Kecepatan Gelombang Geser Kota Surakarta Menggunakan Metode
Multichannel Analysis of Surface Waves Sebagai Kajian Geoteknik
Muhammad Fachrul Rozi Kurniawan
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Pemetaan kecepatan gelombang geser merupakan parameter penting dalam klasifikasi
tanah yang kaitannya dengan studi mikrozonasi dan investigasi geoteknik. Metode
Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) merupakan salah satu metode non-
invasive yang dapat digunakan untuk menentukan kecepatan gelombang geser.
Pengambilan data dilakukan sebanyak 15 titik di Kota Surakarta. Pengukuran MASW
aktif dilakukan menggunakan alat P.A.S.I. Seismograph Model 16S24-P. Geofone
yang digunakan sebanyak 24 kanal dengan frekuensi ambang 4,5 Hz (komponen
vertikal) dan palu (4 kg) sebagai sumber getarnya. Setiap bentangan lintasan survei
dilakukan pemukulan sumber getar sebanyak dua kali di bagian luar lintasan (inline
end-off spread). Data gelombang yang didapatkan dalam domain waktu dan
ditransformasikan ke domain frekuensi. Profil kecepatan gelombang geser didapatkan
melalui inversi kurva dispersi gelombang Rayleigh. Nilai kecepatan gelombang geser
hingga kedalaman 30 meter dinyatakan dengan Vs30. Dari penelitian ini didapatkan
sebaran Vs30 Kota Surakarta sebesar 250 – 450 m/s. Berdasarkan klasifikasi National
Earthquake Hazard Reduction Program (NEHRP) jenis tanah di Surakarta termasuk
klasifikasi C dan D. Nilai Vs30 tertinggi terdapat pada bagian barat daya (Kecamatan
Laweyan) dan bagian utara (Kecamatan Banjarsari) yang diklasifikasikan jenis tanah
C. Sedangkan, Vs30 terendah berada di bagian barat laut dan bagian tenggara
(Kecamatan Serengan dan Pasar Kliwon) yang diklasifikasikan jenis tanah D.
Kata kunci : Non – invasive, gelombang geser, inversi, dispersi, frekuensi.
viii
Analysis of Shear Waves Velocity in Surakarta City Using Multichannel
Analysis of Surface Waves Method for Geotechnic Study
Muhammad Fachrul Rozi Kurniawan
Departement of Physics, Matematic and Science Faculty of
Universitas Sebelas Maret
ABSTRACT
Shear waves velocity mapping is most important for microzonation studies and
geotechnical investigation sites. The Multichannel Analysis of Surface Waves
(MASW) method is one of the non-invasive methods that can be used to determine the
shear wave velocity. The data acquisition collected in 15 sites of Surakarta City. Active
MASW measurements are performed using the P.A.S.I. Seismograph Model 16S24-P.
The geophones are used 24 channels with a threshold frequency of 4.5 Hz (vertical
component) and a hammer (4 kg) as an active source. Each points measurement are
given twice the source on the outline of the spread (inline end-off spread). The data
obtained in the time domain transformed to the frequency domain. The shear velocity
profile is obtained through the inversion of the Rayleigh waves dispersion curve. The
value of shear waves velocity up to 30 meters depth is expressed by Vs30. From this
research, distribution of the Vs30 Surakarta City has a velocity from 250 - 450 m/s.
Based on the classification by National Earthquake Hazard Reduction Program
(NEHRP) soil type in Surakarta classified in class C and D. The highest Vs30 in the
southwest part (Laweyan sites) and the northern part (Banjarsari sites) classified soil C
class. Meanwhile, the lowest Vs30 is in the the northwest and southeast part (Serengan
and Pasar Kliwon sites) classified as D class.
Keywords : Non – invasive, shear waves, inversion, dispersion, frequency.
ix
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah. Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu wa taala
atas segala limpahan nikmat serta karunia-Nya. Sholawat serta salam senantiasa
penulis haturkan kepada Rosulullah Shalallahu ‘alayhi wasallam sebagai suri tauladan
seluruh umat manusia sepanjang masa.
Skripsi yang berjudul “Analisa Kecepatan Gelombang Geser Kota Surakarta
Menggunakan Metode Multichannel Analysis of Surface Waves sebagai Kajian
Geoteknik”. Terselesaikannya rangkaian penelitian ini merupakan suatu kebanggaan
tersendiri bagi penulis. Dalam penyusunan skripsi ini, penulis banyak mendapatkan
bantuan dan masukan dari banyak pihak sehingga sehingga karya ini dapat
terselesaikan. Oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada:
1. Kedua orang tua saya, adik- adik, serta keluarga besar, yang selalu memberikan
do’a, dukungan moral maupun material dan perhatian yang tak pernah lepas.
2. Bapak Budi Legowo, S.Si., M.Si. selaku Dosen Pembimbing I yang selalu
memberikan dukungan, bimbingan dan arahan dari awal penelitian hingga akhir
penulisan skripsi. Terimakasih juga atas rangkaian tripnya.
3. Bapak Soerja Kusuma, S.Si.,M.Si selaku Dosen Pembimbing II yang selalu
memberikan masukan, bimbingan dan arahan dari awal penelitian hingga akhir
penulisan skripsi, serta memberikan wawasan mengenai studi lanjut.
4. Bapak Ahmad Marzuki S.Si., Ph.D selaku Pembimbing Akademik yang selalu
memberikan semangat, motivasi, serta kepeduliannya kepada semua
bimbingannya.
5. Bapak dan Ibu dosen serta seluruh Staff di Program Studi Fisika FMIPA UNS
yang telah banyak memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.
6. Tim Akuisisi data seismik yang terdiri dari para striker (Brenda, Digyo, Rizki
Korti) terimakasih atas pukulannya, Lintang, Pupus, Dura, Lukman, Maarif,
Agus, Aula.
x
7. Teman-teman Celelekan (Bangun, Brenda, Diaz, Ilham, Lintang, Pupus) yang
selalu memberikan hiburan dalam segala suasana.
8. Teman – teman bermalam (Andhika, Barep, Bintang, Chiran, Digyo, Diaz,
Lintang).
9. Teman-teman Geofisika UNS (Andhika, Agus, Chiran, Digyo, Yudi, Fahri,
Anas, Sinta, Luluk, Lela, Kaka, Hamzah, Singgih).
10. Mas Aris, Mas Deffi, Mas Hanif yang telah memberikan saran dan masukannya.
11. Pak Sentot yang selalu mengingatkan waktu sholat.
12. Mereka yang selalu mengingatkan akan kebaikan, hal ini merupakan sesuatu
yang sangat berharga.
13. Rekan - rekan Fisika 2013 (Andi, Anggit, Aripin, Bintang, Bintari, Esti, Trio)
yang tidak dapat disebutkan namanya satu per satu.
14. Teman – teman HMGI Regional Jateng DIY (Hardi, Hanif, Zuhdi, Kelik, Mbak
Aulia, Mas Tom, Mas Ikhsan, Mas Purwa, Mas Elan, dan Mas Ekrar) terima
kasih atas kebersamaan dan ilmunya selama di HMGI.
15. Semua pihak yang telah membantu dalam kegiatan dan penyelesaian penulisan
laporan ini yan tidak bisa disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan laporan ini tidak terlepas dari
kesalahan. Maka dari itu, penulis mohon kritik dan saran yang bersifat membangun.
Semoga laporan penelitian ini bermanfaat bagi pembaca.
xi
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Analisa Kecepatan Gelombang Geser Kota
Surakarta Menggunakan Metode Multichannel Analysis of Surface Waves Sebagai
Kajian Geoteknik” telah dipresentasikan di Asian Physics Symposium (APS) 2017 di
Institut Teknologi Bandung pada tanggal 30 – 31 Agustus 2017.
xii
DAFTAR ISI
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI .................................................................. ii
HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................... iii
PERNYATAAN .......................................................................................................... iv
HALAMAN MOTTO ................................................................................................... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................................ vi
ABSTRAK ................................................................................................................. vii
ABSTRACT .............................................................................................................. viii
KATA PENGANTAR ................................................................................................ ix
PUBLIKASI ................................................................................................................ xi
DAFTAR ISI .............................................................................................................. xii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xiv
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xvii
DAFTAR SIMBOL ................................................................................................ xviii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1
1.1. Latar Belakang ............................................................................................... 1
1.2. Batasan Masalah ............................................................................................. 2
1.3. Perumusan Masalah ........................................................................................ 3
1.4. Tujuan Penelitian ............................................................................................ 3
1.5. Manfaat penelitian .......................................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 4
2.1. Teori Elastisitas .............................................................................................. 4
2.1.1. Tekanan (Stress) ...................................................................................... 4
2.1.2. Regangan (Strain) ................................................................................... 5
2.1.3. Hukum Hooke ......................................................................................... 7
2.2. Karakter Fisis Gelombang .............................................................................. 8
2.3. Jenis-Jenis Gelombang Seismik ..................................................................... 8
2.3.1. Gelombang Badan ................................................................................... 9
2.3.2. Gelombang Permukaan ......................................................................... 10
2.4. Persamaan Gelombang Seismik ................................................................... 11
2.5. Hubungan Parameter Elastik dengan Kecepatan Gelombang ...................... 14
2.6. Mekanisme Penjalaran Gelombang .............................................................. 15
xiii
2.7. Transformasi Fourier .................................................................................... 20
2.8. Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) ..................................... 21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................... 23
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian .......................................................................... 23
3.2. Alat dan Bahan Penelitian ................................................................................ 24
3.3. Metode Penelitian ............................................................................................. 26
3.3.1. Survei Pendahuluan ............................................................................... 26
3.3.2. Akuisisi Data ......................................................................................... 27
3.3.3. Pengolahan dan Analisa Data................................................................ 29
3.4. Alur Penelitian .................................................................................................. 33
3.5. Geologi Regional .............................................................................................. 35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 36
4.1. Hasil Penelitian ............................................................................................. 36
4.2. Interpretasi Setiap Site .................................................................................. 38
4.3. Sebaran Spasial Kecepatan Gelombang Geser (Vs) ..................................... 70
BAB V PENUTUP ..................................................................................................... 78
5.1. Kesimpulan ....................................................................................................... 78
5.2. Saran ................................................................................................................. 78
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 79
LAMPIRAN ............................................................................................................... 82
Lampiran 1. Rekaman Gelombang (Kurva Dispersi dan Model Vs 1D) ................. 82
Lampiran 2. Nilai Parameter Elastisitas .................................................................. 97
Lampiran 3. Deskripsi Litologi ............................................................................. 100
Lampiran 4. Peta Geologi Lembar Surakarta-Giritontro ....................................... 108
Lampiran 5. Dokumentasi ..................................................................................... 109
Lampiran 6. Nilai Vs ............................................................................................. 110
Lampiran 7. Nilai rasio Poisson ............................................................................ 112
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1. Komponen stress (Telford et al., 1990). ................................................. 4
Gambar 2. 2. Analisis strain 2 dimensi. ........................................................................ 5
Gambar 2. 3. Penjalaran gelombang seismik yang bersumber di P pada medium
homogen setengah bola (Lowrie, 2007). ............................................................... 9
Gambar 2. 4. Pergerakan partikel gelombang P (Reynold, 1997). ............................... 9
Gambar 2. 5. Pergerakan partikel gelombang S (Reynold, 1997). ............................. 10
Gambar 2. 6. Pergerakan partikel gelombang Rayleigh (Reynold, 1997). ................. 11
Gambar 2. 7. Pergerakan partikel gelombang Love (Reynold, 1997). ....................... 11
Gambar 2. 8. Penjalaran gelombang berdasarkan prinsip Huygens (Reynold, 1997). 15
Gambar 2. 9. Skema penjalaran gelombang berdasarkan prinsip Fermat (Pedrotti &
Pedrotti, 1993) ..................................................................................................... 16
Gambar 2. 10. Pemantulan dan pembiasan gelombang pada batas permukaan dengan
kontras impedansi (Kearey et al, 2002)............................................................... 17
Gambar 2. 11. Difraksi yang disebabkan oleh patahan (Kearey et al, 2002). ............ 18
Gambar 2. 12. (a) Interferensi konstruktif dan (b) interferensi destruktif (King, 2009).
............................................................................................................................. 18
Gambar 2. 13. Penjalaran paket gelombang (periode panjang) dengan kecepatan grup
U dan gelombang (frekuensi tinggi) dengan kecepatan fasa c (Stein
&Wysession, 2003). ............................................................................................ 20
Gambar 2. 14. Perubahan paket gelombang karena normal dispersi (Lowrie, 2007). 20
Gambar 3. 1. Peta geologi Surakarta beserta lokasi titik penelitian yang telah
dimodifikasi (Koesuma et al., 2017). .................................................................. 23
Gambar 3. 2. Peralatan yang digunakan untuk pengambilan data. ............................. 25
Gambar 3. 3. Skema pengambilan data MASW. ........................................................ 27
Gambar 3. 4. Geometri shot point pada pengambilan data MASW............................ 28
Gambar 3. 5. Trace seismic pada perekaman gelombang permukaan (MASW). ....... 30
Gambar 3. 6. Geometry editing. .................................................................................. 30
Gambar 3. 7. Trace seismic perekaman gelombang yang telah filter. ........................ 31
Gambar 3. 8. Kurva dispersi saat picking (fundamental mode). ................................. 31
Gambar 3. 9. Kurva dispersi setelah picking............................................................... 32
Gambar 3. 10. Profil Vs terhadap kedalaman. ............................................................. 32
Gambar 3. 11. Skema penelitian ................................................................................. 33
Gambar 3. 12. Skema pengolahan data. ...................................................................... 35
Gambar 4. 1. Kurva dispersi setelah dilakukan transformasi ke domain frekuensi ......36
xv
Gambar 4. 2. Kurva dispersi setelah picking dan kualitas kurvanya (modul WaveEq).
............................................................................................................................. 37
Gambar 4. 3. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site A1.
............................................................................................................................. 40
Gambar 4. 4. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site A2.
............................................................................................................................. 42
Gambar 4. 5. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site A3.
............................................................................................................................. 44
Gambar 4. 6. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site A4.
............................................................................................................................. 46
Gambar 4. 7. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site A5.
............................................................................................................................. 48
Gambar 4. 8. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site B1.
............................................................................................................................. 50
Gambar 4. 9. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site B2.
............................................................................................................................. 52
Gambar 4. 10. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site B3.
............................................................................................................................. 54
Gambar 4. 11. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site B4.
............................................................................................................................. 56
Gambar 4. 12. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site B5.
............................................................................................................................. 58
Gambar 4. 13. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site C1.
............................................................................................................................. 60
Gambar 4. 14. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site C2.
............................................................................................................................. 62
Gambar 4. 15. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site C3.
............................................................................................................................. 64
Gambar 4. 16. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site C4.
............................................................................................................................. 67
Gambar 4. 17. (a) kurva dispersi, (b) profil 1D Vs, dan (c) rasio Poisson pada site C.
............................................................................................................................. 69
Gambar 4. 18. Topografi Kota Surakarta .................................................................... 71
Gambar 4. 19. Litologi terhadap ketinggian dari masing - masing site. .................... 71
Gambar 4. 20. Pemodelan 3D Vs menggunakan software .RockWorks15................. 72
Gambar 4. 21. Visualisasi 3D lapisan dengan Vs ≥ 𝟑𝟔𝟎 𝒎/𝒔. .................................. 73
Gambar 4. 22. Sayatan A – A’ dan B – B’. ................................................................. 73
xvi
Gambar 4. 23. Korelasi litologi penampang A- A’. .................................................... 74
Gambar 4. 24. Penampang melintang (cross section) A – A’. .................................... 74
Gambar 4. 25. Korelasi litologi penampang B – B’. ................................................... 75
Gambar 4. 26. Penampang melintang (cross section) B – B’. .................................... 75
Gambar 4. 27. Peta distribusi Vs30 Kota Surakarta. ................................................... 77
Gambar 4. 28. Peta distribusi klasifikasi tanah berdasarkan NEHRP......................... 77
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1. Perubahan koordinat setelah persegi PQRS setelah dikenai stress. ............ 6
Tabel 2. 2. Rasio Poisson beberapa material............................................................... 15
Tabel 2. 3. Klasifikasi site berdasarkan NEHRP. ...................................................... 22
Tabel 3. 1. Indentitas setiap site pada penelitian ini…..................................................24
Tabel 3. 2. Parameter perekaman gelombang. ............................................................ 29
Tabel 4. 1. Hasil penelitian….......................................................................................38
Tabel 4. 2. Nilai Vs30 dan klasifikasi setiap site . ........................................................ 70
xviii
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
𝜎 Stress 𝑁/𝑚2
휀 Strain meter
𝛿 Sudut putar o
∆ Dilatasi meter
𝐸 Modulus Young 𝑁/𝑚2
𝜏 Rasio Poisson -
K Modulus Bulk 𝑁/𝑚2
𝜇 Modulus geser 𝑁/𝑚2
𝜆′ Konstanta Lame 𝑁/𝑚2
𝜆 Panjang gelombang meter
𝑉 Kecepatan m/s
𝑣 Frekuensi Hz
F Gaya Newton
M Massa Kg
a Percepatan m/s2
𝜌 Massa jenis kg/m3
t Waktu sekon
𝛼/ 𝑉𝑝 Kecepatan gelombang P m/s
𝛽/ 𝑉𝑠 Kecepatan gelombang S m/s
𝜃 Sudut o
𝜓 Fungsi Persamaan
gelombang
-
𝜔 Frekuensi sudut radian
𝑘 Bilangan gelombang -
𝑈 Kecepatan grup m/s
𝑐 Kecepatan fasa m/s
h Ketebalan meter